东京大学前沿科学研究生院冈本敏宏副教授、熊谷昌平项目助理教授、筑波大学数学与材料系助理教授石井博之、北里大学理学院物理系讲师渡边刚、米乐m6官方网站AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室（注 1）高度可靠，并且高机动性（注2），气氛，热量，偏差（注3）抗压实用型n型有机半导体（注4）我们在世界上首次成功开发出这种材料。
Pi-电子分子（注5）电子和孔（注6）的传统无机半导体不同，空穴通常很容易导电，并且到目前为止很多空穴传输（p型）有机半导体（注7）正在开发中。近年来，随着有机半导体的蓬勃发展，已开发出比目前实用化的无机半导体高一个数量级以上的非晶硅（10cm）。2V-1s-1的有机半导体类已报告。除了这种迁移率之外，还报道了可印刷的p型有机半导体材料表现出实际应用所需的耐环境应力性。另一方面，在不久的将来物联网社会（注8）的关键器件）来说，开发不仅具有与空穴迁移率相当的电子迁移率，而且具有耐环境应力的电子传输（n型）有机半导体是一个紧迫的问题。
通过新颖合理的分子设计来解决这个问题，我们的研究小组创造了PhC，一种实用的涂层n型有机半导体，具有高迁移率和耐环境应力。2-我们在世界上首次成功开发了BQQDI。这种优异的半导体性能主要是由于它与无机半导体相似。能带传导机制（注9）引起的其次，它是有机半导体特有的传导抑制的主要原因分子间振动（注10）通过分子设计被有效抑制。
这次开发PhC2-由BQQDI组成的n型有机半导体是印刷法（注11）将大大加速廉价且低环境影响的电子标签等的开发，并且还将具有除了高耐热应力之外稳定性降低的带状导电PhC2-基于BQQDI有效利用未使用的能源能量收获（注释12）是热电转换元件（注13）印刷柔性电子产品（注释 14）人们高度期望这将成为该领域的起点。
该研究成果由美国科学促进会（AAAS）于2020年5月1日发布。科学进步的在线突发新闻版上
[研究背景和历史]
目前，智能手机、笔记本电脑等电子设备中使用的半导体是我们日常生活中必不可少的信息终端，是以硅为中心的无机化合物（无机半导体）。共价键（注释 15）键合的固体，可以通过共价键传输电荷，具有极高的电荷迁移率。然而，它们又重又硬，并且需要大约 300-1000 °C 的高温来制造设备。另一方面，有机半导体是由π电子分子通过弱分子间力组装而成的固体，重量轻且机械柔性好。通过印刷在低温下制造它们可以大大降低生产成本和对环境的影响，使其成为下一代印刷柔性电子产品的关键材料而备受期待。然而，与无机半导体相反，有机半导体不是共价键分子轨道（注16）的弱重叠传输的，因此电荷迁移率较低。此外，据报道，在通过弱分子间力组装的有机半导体分子中，由于热能引起的固体中的分子运动（分子间振动），电荷迁移率降低。因此，为了提高有机半导体的性能，除了增加分子轨道之间的重叠之外，设计有效抑制固体中分子间振动的分子设计准则也很重要。
近年来有机半导体蓬勃发展，10cm比目前实用化的无机半导体非晶硅高出一个数量级以上2V-1s-1实际使用所需的类空穴迁移率和环境应力耐受性。另一方面，为了开发各种高端器件，目前需要开发具有与p型半导体相同水平的稳定性、可加工性和器件性能的实用电子传输（n型）有机半导体。
[研究内容]
为了解决这一紧迫问题，我们的研究小组接受了基于能带传导模型开发新型n型有机半导体的挑战，这是无机半导体高电荷传输特性的起源。我们发现具有图1a所示BQQDI骨架的有机分子表现出优异的性能。换句话说，BQQDI通过将带负电的氮引入到最佳位置，实现了作为在大气中稳定的n型有机半导体的母骨架。此外，不仅如此，该氮具有多个结合固体中酰亚胺基的氧的点。氢键（注释17）的形成（图1b），并通过创建新的传导路径来有效传输电子，我们实现了二维高度各向同性电子传导层（图1c）。特别是引入了苯乙基的PhC2–BQQDI 是 3 厘米单晶2V-1s-1电子迁移率高可靠性系数（注释 18）此外，据透露，BQQDI架构即使在大气中也能稳定驱动器件6个月以上，无论是多晶还是单晶。2–BQQDI 已被证明即使在热应力和偏置应力下也能表现出极高的器件稳定性。基于此，可以说，我们在世界上首次成功开发出能够同时抵抗一系列环境压力并能承受实际使用的n型有机半导体（图2c）。此外，除了通过实验证明这种优异的半导体特性是基于能带传导机制之外，分子动力学和传导计算表明，这种合理设计的多点氢键的形成通过有效抑制分子间振动来提高电子迁移率（图3）。此外，博士学位2–利用 BQQDI 的高电子迁移率、溶液加工性和器件稳定性，它是印刷柔性电子产品的关键元件CMOS逻辑电路（注19）
（图1）a）本研究中n型有机半导体BQQDI的分子结构，b）单晶中的两个相邻分子，以及c）包装结构（注20）表格
（图2）底栅顶接触晶体管中的PhC2–BQQDI a) 单晶薄膜，b) 传输特性（可靠性因子r), c) 热应力行为
（图3）底栅顶接触晶体管中的PhC2–a) 霍尔效应测量，b) BQQDI单晶薄膜的分子动力学计算
[未来发展]
这个BQQDI框架是一种前所未有的n型有机半导体，具有高性能、高稳定性、甚至高可靠性。作为智能社会的基础技术的柔性基板上的可弯曲显示器、电子标签和多传感器、使用有机半导体的热电转换元件和薄膜太阳能电池的发展正在迅速加速，它们对社会的贡献令人期待。
PhC，本研究中开发的一种n型有机半导体材料2–BQQDI 计划于 2020 年 5 月上旬由 Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd 作为试剂出售。
本研究成果是通过以下项目、研究领域和研究主题获得的。
战略创意研究促进项目个人型研究（PRESTO）
研究领域：“利用微能量创造创新的能量收集技术”
（研究総括：谷口研二与大阪大学名誉教授、副研究総括：秋永広幸产业技术総合研究所和ナノエrekutoronicus研究部门総括研究主干）
研究主题：“利用有机半导体结构控制技术创建创新热电材料”
研究员 Toshihiro Okamoto（东京大学研究生院前沿科学研究生院副教授）
研究期间2017年10月至2021年3月
Toshihiro Okamoto（东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授/日本科学技术振兴机构 (JST) PRESTO 研究员/米乐m6官方网站 (AIST) 高级操作数测量技术开放创新实验室客座研究员，东京大学 AIST）
Shohei Kumagai（东京大学前沿科学研究生院材料科学系特聘助理教授）
竹谷顺一（东京大学研究生院前沿科学研究生院材料学系教授/材料创新研究中心（MIRC）特聘教授，兼任/客座研究员，米乐m6官方网站先进运算测量技术开放创新实验室，AIST，东京大学，兼任/国立材料科学研究所）国际纳米建筑中心(WPI-MANA) MANA 首席研究员（交叉任命）
Hiroyuki Ishii（筑波大学数学与材料系助理教授）
渡边豪（北里大学理学院物理系讲师）
杂志名称：“科学进步” （截至 2020 年 5 月 1 日）
论文标题：“稳健、高性能 n 型有机半导体”
作者：Toshihiro Okamoto*、Shohei Kumagai、Eiji Fukuzaki、Hiroyuki Ishii、Go Watanabe、Naoyuki Niitsu、Tatsuro Annaka、Masakazu Yamagishi、Yukio Tani、Hiroki Sugiura、Tetsuya Watanabe、Shun Watanabe 和 Jun Takeya